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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform für
optische Fasern mit Vieleckkern, wobei die Vorform einen Kern gemäß der gewünschten
Vieleckfläche aufweist und der Kern von einem transparenten
Mantelglas umgeben ist sowie die Brechzahlen von Kern und Mantelglas
unterschiedliche Werte aufweisen, gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Es
ist bekannt, dass eine hohe Koppeleffizienz zwischen einer rechteckförmig
strahlenden Strahlungsquelle und einer Faser dann erreicht wird, wenn
eine Anpassung der Strahlungsquelle im Orts- und Winkelbereich an
den Akzeptanzbereich der Faser vorgenommen wird. Üblicherweise
besitzen optoelektronische Strahlungsquellen keine rotationssymmetrische
Abstrahlcharakteristik. Damit sind optische Fasern mit einem rotationssymmetrischen
Aufbau nicht optimal an Strahlungsquellen mit nicht rotationssymmetrischer
Abstrahlcharakteristik ankoppelbar, d. h. der Koppelwirkungsgrad
ist unbefriedigend. Es ist zwar bekannt, durch den Einsatz einer
Koppeloptik Fehlanpassungen zu reduzieren, jedoch ist dies kostenaufwendig
und führt im Allgemeinen nur zu graduellen Verbesserungen
der Koppeleffizienz.
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Die
Notwendigkeit des Einsatzes von Fasern mit rechteckförmigem
Kernquerschnitt bei der Übertragung von Laserdiodenstrahlung
besteht beispielsweise dann, wenn eine möglichst hohe Koppeleffizienz
zwischen Laserdioden mit rechteckförmiger strahlender Fläche
und der die Strahlung aufnehmenden Faser erreicht werden soll.
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Die
Direktabscheidung von fluordotierten Schichten auf einem rotierenden
Kernglaszylinder ist beispielsweise aus der
DE 103 16 487 A1 und dem dort
erwähnten Outside-Plasmaverfahren vorbekannt.
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Verfahren
zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern durch
Erzeugen eines mit Fluor dotierten Siliziumdioxid-Mantelglases auf
einem um seine Längsachse rotierenden Kernglaszylinder
bilden den am weitesten verbreiteten Stand der Technik. Dabei wird
einem Plasmabrenner eine siliziumhaltige Ausgangssubstanz zugeführt.
Diese Ausgangssubstanz gelangt in die Plasmaflamme des Plasmabrenners
und wird dort zu SiO2-Partikeln oxidiert.
Anschließend werden die SiO2-Partikel
unter Gegenwart von Fluor auf der Oberfläche des rotierenden Kernglaszylinders
schichtweise abgeschieden und dann zu einem Mantelglas gesintert.
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Das
vorerwähnte direkte Abscheiden mittels Outside-Plasmas
ist nicht für Targets mit extremen Abweichungen von der
Kreiszylindergeometrie, d. h. insbesondere von Stäben mit
rechteckförmigem Kernglasquerschnitt geeignet, weil der
Abstand Plasmabrenner-Targetoberfläche sich bei diesen
speziellen Targets so stark und laufend ändert, dass unterschiedliche
Abscheidebedingungen und Abscheidetemperaturen auftreten, die einer
homogenen Schichtabscheidung entgegenwirken.
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Die
DE 103 16 487 B4 zeigt
ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform für optische
Fasern durch Erzeugung eines mit Fluor dotierten SiO
2-Mantelglases
auf einem um seine Längsachse rotierenden Kernglaszylinder.
Es wird auch dort einem Plasmabrenner eine siliziumhaltige Ausgangssubstanz
zugeführt, diese in einer dem Plasmabrenner zugeordneten
Plasmaflamme zu SiO
2-Partikeln oxidiert
und die SiO
2-Partikel unter Gegenwart von
Fluor auf der Zylindermantelfläche schichtweise abgeschieden
mit anschließender Sinterung zu dem gewünschten Mantelglas.
Zur Bildung und Abscheidung der SiO
2-Partikel
auf dem Kernglaszylinder wird eine Plasmaflamme eingesetzt, die
ultraviolettes Licht einer bestimmten Wellenlänge mit bestimmter
Intensität ausstrahlt. Auf diese Weise wird der Einfluss schädigender
UV-Strahlung auf das Kernglas reduziert.
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Aus
der
EP 0 717 296 A1 ist
eine Faser mit rechteckförmigem Kernquerschnitt und äußerer
elliptischer Querschnittsfläche vorbekannt. Fasern mit rechteckförmiger
Querschnittsfläche werden gemäß den dortigen
Angaben benötigt, wenn hohe Laserleistungsdichten von Laserquellen
mit rechteckförmiger Abstrahlung übertragen werden
sollen, und zwar für Anwendungen insbesondere im Bereich
der Medizintechnik.
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Nach
der
EP 0 717 296 A1 wird
die Abscheidung der sogenannten Cladding-Schicht über einen konventionellen
Plasmaprozess vorgenommen. Allerdings wird die Preform vertikal
in der Beschichtungsanlage erzeugt, um Verformungen zu vermeiden.
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Da
eine konventionelle Beschichtungsanlage für die Beschichtung
von ansonsten zylindersymmetrischen Targets eingesetzt wird, ändert
sich bei der Beschichtung von rechteckförmigen Targets
der Beschichtungsabstand in Abhängigkeit von der Winkelposition
des Rechtecktargets. Durch die Variation der Beschichtungsparameter
in Abhängigkeit von der Winkelposition des Targets kann
im Allgemeinen nur bei einer einzigen Winkelposition eine optimale
Abscheidung stattfinden. Die Folge ist, dass in den Arbeitsabständen,
in denen der Abstand nicht optimal ist, Schichten mit Blasen und
anderen Inhomogenitäten entstehen. Es erfolgt also die
Abscheidung ungleichmäßig über den Umfang
des Rechtecktargets. Ein so abgeschiedenes Mantelglas ist nicht
für Anwendungen in der Optik geeignet.
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Aus
dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes
Verfahren zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern
mit Vieleckkern anzugeben, wobei die Vorform einen Kern gemäß der
gewünschten Vieleckfläche aufweist und der Kern
von einem transparenten Mantelglas umgeben ist. Das Verfahren soll
sicherstellen, dass die thermische Belastung des Vieleckkernstabs,
insbesondere eines Rechteckkernstabs geringer ist als beim Stand
der Technik, d. h. bei der Direktbeschichtung. Außerdem
soll eine Veränderung der ursprünglichen Form
des Kernstabquerschnitts ausgeschlossen werden. Letztendlich ist
die ultraviolette Belastung des Vieleckkernstabs zum Erhalt optimaler
optischer Eigenschaften zu verringern.
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Die
Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Lehre
gemäß dem Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche
mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen
umfassen.
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Es
wird zunächst von einem Verfahren zur Herstellung einer
Vorform für optische Fasern mit Vieleckkern ausgegangen,
wobei die Vorform einen Kern gemäß der gewünschten
Vieleckfläche aufweist und der Kern, insbesondere ein Kernstab,
von einem transparenten Mantelglas umgeben ist sowie die Brechzahlen
von Kern und Mantelglas unterschiedliche Werte aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird
zunächst ein monolithischer Vieleckkernglasstab erzeugt
und für die Verarbeitung in einer Behandlungsanlage vorbereitet.
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Weiterhin
wird ein Mantelglasrohr in eine an die Umhüllende des Vieleckkernglasstabs
angepasste Querschnittsform vorkollabiert, so dass ein bestimmter
Spaltmaßbereich zwischen Kern und Rohr allseits eingehalten
wird.
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Das
vorkollabierte Mantelglasrohr wird dann über den Vieleckkernstab
geschoben und es wird ein Vakuum im Raum zwischen Stab und Kern
angelegt.
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Weiterhin
weist die Behandlungsanlage einen Ofen auf, welcher ein gesteuertes
Ummanteln durch Verschmelzen von Stab und Rohr ermöglicht, wobei
das hierbei erfolgende weitere Kollabieren des Rohres so vorgenommen
wird, dass das Mantelglas sowohl in radialer als auch in azimutaler
Richtung fließt.
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Das
oben genannte Vorkollabieren erfolgt derart, dass zwischen Stab
und Rohr ein Spalt von im Wesentlichen 1 bis 3 mm verbleibt, der
dann beim endgültigen Kollabieren verschwindet.
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Der
Stab ist bei einem Ausführungsbeispiel mit einem rechteckförmigen
Querschnitt versehen und das Rohr weist nach dem Vorkollabieren
einen ovalen Querschnitt auf.
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Zum
Erhalt einer blasenfreien Ummantelung wird auf den Vieleckkernstab
eine dünne, fluordotierte Siliziumdioxidschicht aufgebracht.
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Der
Kernglasstab kann aus einem Quarzglasingot durch Sägen
gefertigt sein. Weiterhin wird bevorzugt der gesägte Kernglasstab
einem Temperschritt unterzogen.
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Die
Rohrrotation beim Ummantelungsschritt liegt im Bereich ≤ 10
U/min.
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Im
Anschluss an den Ummantelungsschritt ist ausgestaltend ein Tempern
zum Abbau thermischer Spannungen der hergestellten Vorform möglich.
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Aus
dem Vorgenannten ist ersichtlich, dass die Vorform nicht durch Direktbeschichtung
des rotierenden Kernglasrechtecks gefertigt wird, sondern eine Ummantelung
des Rechteckkernstabs in einer vertikalen Ummantelungsanlage erfolgt.
Durch die vertikale Einbaulage des Kernstabs wird verhindert, dass
selbst bei extremen Seiten-Verhältnissen ein Durchbiegen
des Rechteckstabs eintritt und gegebenenfalls in unerwünschter
Weise das Mantelrohr azentrisch aufkollabiert.
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Wie
dargelegt, kann der Kernglasstab mit rechteckförmigem Querschnitt
beispielsweise aus einem Quarzglasingot herausgesägt werden.
Hiernach schließt sich eine Grobbearbeitung der Oberflächenform
durch Schleifen an, um die vorgegebenen Abmessungen des Kernglasstabs
mit entsprechendem Polieraufmaß zu erhalten.
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Vor
dem Sägen des Rechteckstabs und dem Schleifen kann eine
Temperung notwendig sein, insbesondere dann, wenn der Ausgangs-Quarzglasingot
unter kritischen thermischen Spannungen steht.
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Nach
dem Schleifen des rechteckförmigen Stabes schließt
sich eine Feinbearbeitung der geschliffenen Oberflächen
an. Die Feinbearbeitung kann in Form einer Oberflächenpolitur
durchgeführt werden.
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Neben
einer mechanischen Politur ist auch eine Feuerpolitur denkbar. Um
Poliermittelreste aus den Mikrorissen der Oberfläche zu
eliminieren, kann eine kurze Säurepolitur in Flusssäure
erfolgen.
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Der
so erzeugte Rechteckkernstab wird in eine vertikale Ummantelungsanlage
mit einem Grafitofen als Wärmequelle eingespannt.
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Vorteilhaft
ist es, wenn der Rechteckkernstab vor dem Ummanteln mit dem fluordotierten
Ummantelungsrohr mit einer dünnen fluordotierten Schicht
aus Siliziumdioxid versehen wird.
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Durch
die dünne fluordotierte Schicht auf dem Rechteckkernstab
werden die Viskositäten an der Grenzfläche der
Verschmelzung Rohr und Stab angepasst. Der Vorteil ist, dass durch
diese Vorbehandlung die Verschmelzung bei geringeren Temperaturen
durchgeführt werden kann. Hierdurch wird auch bei der Ummantelung
die Rechteckkerngeometrie nicht gestört und eine mögliche
Blasenbildung verhindert.
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Die
dünne fluordotierte Schicht auf dem Rechteckkernstab kann
erzeugt werden, indem zunächst eine dünne Sootschicht
bei geringer Temperatur auf dem Rechteckkernstab abgeschieden wird. Auf
eine ansonsten übliche Rotation des Rechteckkernstabs bei
dieser Beschichtung kann verzichtet werden, weil bei den geringen
Sootabscheidetemperaturen eine Deformation eines Rechteckkernstabs nicht
auftritt. Die Sootabscheidung kann in jeder Winkelposition des Targets
unter angepassten Abscheidebedingungen stattfinden. Hierdurch wird
eine über den gesamten Targetumfang homogene Schichtabscheidung
gewährleistet.
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Die
Sinterung der Sootschicht zu einer transparenten Schicht erfolgt
nach der Sootabscheidung mit Hilfe eines separaten Knallgasbrenners,
der eine breite heiße Erhitzungszone aufweist. Die Sintertemperatur
und damit die thermische Belastung des Rechteckkernstabs können
gering gehalten werden.
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Das
Ummantelungsrohr wird für die spezielle Ummantelung des
Rechteckkernstabs vorbereitet. Hierfür wird das Rohr auf
ein Spaltmaß von ca. 1 mm bis 3 mm bezogen auf die entsprechenden
Abmessungen des Rechteckkernstabs vorkollabiert.
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Das
Vorkollabieren umfasst die drehwinkelabhängige Verringerung
des Mantelrohrdurchmessers. Durch das Vorkollabieren des Mantelrohrs
mit einer gezielt einzustellenden Mantelovalität wird beim
späteren Ummantelungsprozess erreicht, dass das Mantelrohr
beim Aufkollabieren sich im Bereich der Rechteckseitenflächen
nicht faltet.
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Nachdem
das Mantelrohr geeignet vorkollabiert wurde, wird das Rohr über
den Kernglasstab eingefädelt und in der Ummantelungsanlage
fixiert.
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Der
eigentliche Ummantelungsschritt, bei dem das Mantelrohr mit dem
Kernglasstab verschmilzt, wird bei einer geringen Kollabierrate
mit einer geringen Rohrrotation durchgeführt. Die geringe Kollabierrate
ist erforderlich, damit das Mantelglas während des Kollabierprozesses
nicht nur in radialer, sondern auch in azimutaler Richtung innerhalb
des Mantelrohrvolumens fließen kann.
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Die
Rotation des Mantelrohr-Kernglasstab-Gebildes dient dazu, azimutale
Inhomogenitäten im Ofen auszugleichen.
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Um
Blasen in der Kernstab-Mantelglas-Grenzfläche zu verhindern,
ist es hilfreich, wenn an den Kernglasstab-Mantelglasrohr-Zwischenraum ein
Unterdruck angelegt wird.
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Nach
dem Verschmelzvorgang schließt sich ein Temperschritt an,
um thermische Spannungen in der Vorform so weit zu reduzieren, dass
eine Zerstörung der Vorform bei weiteren Bearbeitungsschritten ausgeschlossen
wird.
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In
Abhängigkeit von der weiteren Verwendung der Rechteckkern-Preform
kann der Mantelquerschnitt der Preform (Vorform) von elliptisch über rund
bis hin zu rechteckförmig weiter bearbeitet werden. Eine
runde oder rechteckförmige Querschnittsform des Mantelglases
wird durch einen weiteren Schleifvorgang erreicht.
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Ein
Polieren der Vorform vor dem Faserziehen nach dem Schleifen ist
nicht notwendig, da die hohen Temperaturen im Ziehofen die zunächst
raue Oberfläche zu einer glatten Oberfläche verschmelzen.
Um die rechteckförmige Kerngeometrie beim Faserziehprozess
nicht zu verschlechtern, erfolgt das Faserziehen bei möglichst
geringen Ziehtemperaturen um ca. 1900°C und relativ hohen
Abzugskräften von > 120
cN bei einem mittleren Faserdurchmesser von 125 μm.
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Aufgabengemäß ist
die thermische Belastung des Rechteckkernstabs beim Ummanteln mit
einem fluordotierten Rohr wesentlich geringer als bei der Plasma-Direktbeschichtung.
Eine unerwünschte Änderung der ursprünglichen
Form des Kernstabquerschnitts findet nicht statt. Weiterhin ist
die UV-Belastung des Rechteckkernstabs bei Verwendung der erfindungsgemäßen
Ummantelungstechnologie geringer als bei einer vorbekannten Direktbeschichtung.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand einer Prinzipdarstellung einer
Ummantelungsanlage sowie einem Ausführungsbeispiel näher
erörtert werden.
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Die
Figur zeigt hierbei einen Längsschnitt sowie zwei Querschnittsdarstellungen
längs der Linien A-A durch ein Gebilde, umfassend einen
Rechteckkern sowie ein Mantelglasrohr.
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Der
Rechteckkernstab 1 weist einen Rechteckquerschnitt mit
einem Seitenverhältnis a:b von z. B. 2,74 auf. Die Oberfläche
ist geschliffen und poliert, wobei jedoch die Kanten des Stabes
ungebrochen bleiben.
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Über
ein Futter 2 wird das Gebilde aus Kernstab 1 und
Mantelglasrohr 3 gehalten und über eine nicht
gezeigte Antriebseinrichtung in eine Rotationsbewegung versetzt.
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Am
Spalt 5 zwischen Kern 1 und Rohr 3 wird an
die Öffnung 6 ein Vakuum angelegt. Mit dem Bezugszeichen 7 ist
ein Dichtelement bezeichnet. Wenn notwendig, kann über
die Öffnung 6 im Dichtelement 7 eine
Spülung mit Stickstoff oder Helium vorgenommen werden.
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Ein
Grafitofen 9 umfasst sogenannte Liner 10. Wenn
der Grafitofen 9 die erforderliche Temperatur erreicht
hat, beginnt unter Ausnutzung des Vakuums 6 von z. B. < 100 mbar die Verschmelzung
des Kernstabs 1 mit dem Ummantelungsrohr 9. Im
Ausführungsbeispiel erfolgt die Verschmelzung des Stabes
mit dem Rohr von oben nach unten. Die Geschwindigkeit der Bewegung
des Grafitofens 9 beträgt z. B. 15 mm/min. Die
Länge des Verfahrwegs parallel zur Achse des Rohres 3 ist
im gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 300 mm.
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Das
Aufkollabieren des Mantelrohrs 3 auf den Kern 1 erfolgt
sehr langsam bei einer geringstmöglichen Temperatur unter
Nutzung des Unterdrucks wie erläutert.
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Das
folgende Ausführungsbeispiel soll einen typischern Verfahrensablauf
verdeutlichen.
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In
einem ersten Schritt wird zunächst ein Kernstab mit Rechteckquerschnitt
mit den Seitenlängen 15,9 mm zu 5,8 mm für den
Verarbeitungsprozess vorbereitet. Die Oberfläche des Kernstabs
ist geschliffen und poliert, wobei die Kanten ungebrochen sind.
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An
einer Seite dieses Kernstabs wird ein Hilfsstab als Handhabungshilfe
mit entsprechendem Durchmesser, z. B. 16 mm und einer Länge
von ca. 400 mm bis 500 mm durch Anschmelzen fixiert. Der Hilfsstab
wird vor dem Anschmelzen im Querschnitt an die Rechteckform über
eine Länge von etwa 50 mm angepasst.
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Auch
an der anderen Seite des Kernstabs wird ein gleichgestalteter Hilfsstab
mit einer Länge von ca. 200 mm angebracht.
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Anschließend
werden Oberflächenverunreinigungen durch Nassätzen
in verdünnter Flusssäure entfernt. Dieser Ätzvorgang
dauert z. B. 20 bis 25 Minuten.
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Die
während des Ätzvorgangs wiederum entstandene Oberflächenrauigkeit
wird durch eine Feuerpolitur mit Knallgasflamme beseitigt. Dabei
wird darauf geachtet, dass die Rechteckprofilkanten nicht bzw. nur
minimal einer Rundung unterliegen.
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Auf
den so vorbereiteten Rechteckprofilstab wird mittels Plasmabrenner
eine fluordotierte Silizium-Schicht (Soot) mit einer Stärke
von ca. 0,5 mm aufgetragen.
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Das
Auftragen dieser Schicht erfolgt bevorzugt in zwei Abschnitten.
Erstens erfolgt das Abscheiden einer gleichmäßig
porösen Sootschicht auf der Oberfläche des Rechteckprofilstabs über
den Umfang. Zweitens erfolgt das Klären, d. h. das Klarschmelzen
der Sootschicht zu einer homogenen transparenten Schicht.
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Quasi
zeitgleich erfolgt die Vorbereitung des fluordotieren Quarzglas-Ummantelungsrohrs.
Im Anwendungsbeispiel wird ein fluordotiertes Quarzglasrohr mit
einem Außendurchmesser von 37 mm und einer Wandstärke
von ca. 4,5 mm eingesetzt. Die Brechzahldifferenz gegenüber
reinem Quarzglas beträgt –0,0175.
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Üblicherweise
muss die Geometrie des Ummantelungsrohrs an den Rechteckprofilstab
angepasst werden. Hierzu wird an beiden Seiten ein Anschmelzen von
Hilfsrohren vorgenommen, um das Ummantelungsrohr in einer Glasbläseranlage
vorkollabieren zu können. Im Beispiel wird das fluordotierte Quarzglasrohr
von 37 mm Außendurchmesser auf ca. 29,5 mm kollabiert.
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Jetzt
werden Rechteckprofilstab und das fluordotierte Quarzglasrohr für
den Einbau in die vertikale Ummantelungsanlage vorbereitet. Am Rechteckprofilstab
wird der kürzere Hilfsstab auf ca. 50 mm durch Abschmelzen
weiter gekürzt und es wird eine Spitze geformt. Vom vorkollabierten
fluordotierten Quarzglasrohr wird an einer Seite das Hilfsrohr abgetrennt.
Das an der anderen Seite verbleibende Hilfsrohr wird nahe der Ansatzstelle
zum fluordotieren Quarzrohr mit einer Einengung versehen, die einen Innendurchmesser
von maximal 10 mm hat. Nunmehr erfolgt die Bestückung der
vertikalen Ummantelungsanlage. Zunächst wird der Rechteckprofilstab in
das obere Futter eingespannt und nach oben gefahren.
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Anschließend
wird das fluordotierte Quarzglasrohr in das untere Futter gespannt
und mit dem Vakuumsystem verbunden. Der Rechteckprofilstab wird
nun von oben in das vorkollabierte fluordotierte Quarzglasrohr bis
zum Aufsetzen auf die Einengung am Hilfsrohr eingeführt.
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Der
Grafitofen wird jetzt auf Position oberes Ende des fluordotierten
Quarzglasrohrs gefahren und angeheizt. Hat der Grafitofen die erforderliche Temperatur
für die heiße Zone, im Anwendungsbeispiel 1500°C
erreicht, beginnt unter Ausnutzung des Vakuums von ≤ 100
mbar die Verschmelzung des Kernstabs mit dem Ummantelungsrohr, und
zwar von oben nach unten.
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Die
Geschwindigkeit der Grafitofenbewegung beträgt hierbei
ca. 15 mm/min. Wenn der Grafitofen nach dem Verschmelzen am Endpunkt
angelangt ist, bleibt der Ofen stehen und die verschmolzene Preform
bewegt sich mittels oberem Futter oder Reitstock vom unteren Hilfsstab
weg, so dass ein sauberes Abschmelzende erzeugt werden kann.
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Die
erhaltene Preform mit einem Rechteckkernprofil weist eine ovale
Außenform auf. Wenn eine kreisrunde Preform außenumfangsseitig
gewünscht wird, sind folgende weitere Schritte notwendig.
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Zunächst
wird das weitere Hilfsstabende abgeschmolzen. Um vorhandene Spannungen,
die beim Ummantelungsprozess entstanden sind, abzubauen, wird die
Preform in einem Temperofen einer Temperaturbehandlung unterzogen.
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Im
Anwendungsbeispiel wird hierzu folgendes Regime gefahren. Der Ofen
wird mit der enthaltenen Preform über eine Zeit von 8 Stunden
langsam auf eine Temperatur von 1040°C erwärmt.
Diese Temperatur bleibt über 8 Stunden erhalten und es wird
im Anschluss über einen weiteren Zeitverlauf von 8 Stunden
auf Raumtemperatur heruntergekühlt. Anschließend
wird die Preform mechanisch rund geschliffen, z. B. auf einen Außendurchmesser
von 22,3 mm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10316487
A1 [0004]
- - DE 10316487 B4 [0007]
- - EP 0717296 A1 [0008, 0009]